用於離心壓縮機的動態推力平衡的製作方法

2023-12-09 12:27:01 1

專利名稱：用於離心壓縮機的動態推力平衡的製作方法
技術領域：
本發明大體上涉及離心壓縮機，並且更具體而言涉及在這種壓縮機中平衡推力。
背景技術：
壓縮機是一種通過使用機械能來增加諸如氣體的可壓縮流體的壓力的機器。壓縮機用於許多不同應用，包括作為燃氣渦輪發動機的初始級來操作。而燃氣渦輪發動機本身用於大量工業過程中，包括功率生成、天然氣液化和其它過程。在用於 這些過程和過程設施中的各種類型的壓縮機中存在所謂的離心壓縮機，其中，機械能例如通過使氣體所行進通過的離心葉輪或轉子旋轉而經由使氣體粒子加速的離心加速作用於到壓縮機的氣體輸入。離心壓縮機可裝配有單個轉子，即單級構型，或者帶有串聯的多個轉子，在這種情況下，壓縮機常常被稱為多級壓縮機。離心壓縮機的每一級通常包括用於待被壓縮的氣體的入口管道、能夠為輸入氣體提供動能的轉子以及將離開轉子的氣體的動能轉化為壓力能的出口管。多級離心壓縮機在轉子上經受軸向推力，該軸向推力由跨級的壓差和從水平方向轉到豎直方向的氣體動量變化造成。該軸向推力通常由平衡活塞和軸向推力軸承補償。由於軸向推力軸承不能加載整個轉子推力，因此平衡活塞被設計成補償大部分推力，從而使軸承處理任何剩餘的殘餘推力。平衡活塞通常被實施為旋轉盤或鼓，其裝配到壓縮機軸上，使得平衡盤或鼓的每一側在操作期間經受不同的壓力。平衡活塞的直徑被選擇為具有期望的軸向負載以避免其殘餘負載使軸向軸承過載。常規油潤滑軸承通常被設計成耐受預期在例如喘振的異常條件期間發生的最大殘餘軸向推力的大約四倍的軸向推力。然而，當在壓縮機操作期間氣體條件變化時，由平衡活塞提供的補償可能不足以避免軸承過載。實際上一些類型的離心壓縮機比其它更可能經歷這樣的氣體條件改變，例如在用於採用並行操作的多級離心壓縮機的氣體存儲應用中，其中在壓縮機的第一與第二部段之間的與流量係數差值有關的軸向推力的差值可能不容易被平衡活塞補償。因此，常規油潤滑軸承通常被設計成耐受預期在例如喘振的異常條件期間發生的最大殘餘軸向推力的大約四倍的軸向推力。另一個最近的發展涉及用主動磁軸承(AMB)替代常規油潤滑軸承作為用於壓縮機軸的軸向(和徑向)可旋轉支承件。AMB基於電磁原理運轉以控制在壓縮機內的軸向和徑向位移。簡而言之，AMB包括由功率放大器驅動的電磁體，功率放大器根據指示在裝置內部的壓縮機轉子的位移的反饋信號來調節進入電磁體的線圈的電壓(和因此的電流)。AMB具有其不需要油作為潤滑劑的期望屬性，從而減少壓縮機系統的整體維護並潛在地消除在葉輪與軸承之間提供密封的需求。然而，AMB還具有不能夠處理與常規油潤滑軸承一樣多的軸向推力的缺點。因此，期望設計和提供用於在這種壓縮機中的動態推力平衡的方法和系統，其克服了現有平衡系統的上述缺點。

發明內容
示例性實施例涉及用於動態平衡離心壓縮機中的軸向負載以減少在其中所使用的軸承上的殘餘軸向負載的系統和方法。傳感器或探針檢測與作用在軸承上的軸向負載相關聯的參數。基於所檢測到的參數，控制平衡室中的壓力以調整由平衡鼓所產生的補償的軸向力。根據本文所述的示例性實施例的優點包括例如在不同操作條件下作用在軸承上的殘餘軸向力的減小。然而，本領域的技術人員將會理解，這樣的優點不應被解釋為對本發明的限制，除了其在一個或多個所附權利要求中明確闡述的程度以外。根據示例性實施例，離心壓縮機包括轉子組件，其包括至少一個葉輪；軸承，其連接到轉子組件且用於可旋轉地支承轉子組件；定子；平衡鼓，其設置在所述至少一個葉輪與所述軸承之間；平衡室，其至少部分地由所述平衡鼓的外側限定並具有連接到其的平衡管路；傳感器，其用於感測與在所述軸承上的軸向負載相關聯的參數；和控制閥，其用於基於感測到的參數改變平衡室內的壓力。根據另一個示例性實施例，一種用於動態地平衡作用在離心壓縮機中的軸承上的 軸向負載的方法包括以下步驟檢測與軸向負載相關聯的參數；以及基於檢測到的參數控制鄰近壓縮機內的平衡鼓的平衡室內的壓力，以動態平衡作用在軸承上的軸向負載。


附圖示出示例性實施例，在附圖中
圖I是根據示例性實施例可設有動態平衡機構的多級式離心壓縮機的示意 圖2示出離心壓縮機的靜態軸向負載平衡；
圖3示出根據示例性實施例的離心壓縮機的動態軸向負載平衡；以及 圖4是示出根據示例性實施例的用於動態負載平衡的方法的流程圖。
具體實施例方式示例性實施例的以下詳細描述參考了附圖。不同圖中的相同附圖標記表示相同或類似的元件。另外，下列詳細描述不限制本發明。相反，本發明的範圍由所附權利要求限定。為了給與根據這些示例性實施例的推力平衡系統有關的後續討論提供一定背景，圖I示意性地示出其中可使用這種推力平衡系統的多級離心壓縮機10。其中，壓縮機10包括其中安裝有旋轉的壓縮機軸14的箱或殼體(定子)12，壓縮機軸14設有多個離心葉輪
16。轉子組件18包括軸14和葉輪16，並且通過設置在轉子組件18的任一側上的軸承20徑向地且軸向地支承。多級離心壓縮機操作以從管道入口 22吸入輸入的工藝氣體，以便通過轉子組件18的操作而增加工藝氣體的壓力，並且隨後將工藝氣體在高於其輸入壓力的輸出壓力下通過出口管道24排出。工藝氣體可以例如是二氧化碳、硫化氫、丁烷、甲烷、乙烷、丙烷、液化天然氣中的任一種或它們的組合。在轉子16與軸承20之間，設有密封系統26以防止工藝氣體流到軸承20。殼體12被構造成覆蓋軸承20和密封系統26兩者，以防止氣體從離心壓縮機10逸出。根據本發明的不同示例性實施例，軸承20可實施為油潤滑軸承或主動磁軸承。如果使用主動磁軸承作為軸承20,則可省略密封機構26。離心壓縮機10還包括前述的平衡活塞(鼓)28以及其對應的迷宮密封30。平衡管路32將平衡鼓外側上的平衡室34中的壓力維持在與經由入口管道22進入的工藝氣體相同(或大致相同)的壓力。然而，根據以下所述的示例性實施例，該平衡管路32包括控制閥，該控制閥能基於例如在軸承20上或附近感測到的軸向負載調節平衡室34中的壓力，如下面關於圖3將要描述地。然而，首先通過討論圖2描述圖I中所示的各種元件的相互作用是有用的，因為這些相互作用通常與軸向負載有關。在圖中，概念性地示出了與離心壓縮機10的操作相關聯的各種軸向負載力。如圖2所示，葉輪16將軸向負載(力)沿壓縮機10的內(低壓)側方向置於軸承20上，這歸因於例如在級之間的差異、氣體動量的變化等。儘管在圖2中未示出，但使壓縮機軸18旋轉的馬達將(大致恆定的)軸向負載置於對立方向，即朝向離心壓縮機10的外(高壓)側。為了抵消葉輪16的剩餘軸向負載，平衡鼓28被設計成沿外側方向施加軸向力，該軸向力的量值是基於葉輪的預期軸向負載減去馬達的預期軸向負載。這通過例如以下方法來實現設計該系統使得在平衡鼓28的內側上的工藝氣體的壓力Pu大於在平衡鼓28的外側上的壓力Pe，並且通過選擇適當大小(直徑)的平衡鼓以產生期望的平衡力。通過在平衡室34和與入口管道22相關聯的主要吸入管路之間提供平衡管路32 使得平衡室中的壓力與葉輪16的內側上的壓力大致相同而發展和維持壓力不平衡。理想的是，由平衡鼓28提供的軸向推力補償將大致抵消通過葉輪16置於軸承20上的軸向負載，或者至少充分抵消這樣的軸向負載，以使得任何殘餘負載在軸承20的設計規格內。然而，如以上所述，在這種壓縮機內的操作差異和/或使用AMB作為軸承20可造成殘餘負載超出用於軸向負載的軸承20的設計公差。考慮例如下面的表1，該表示出用於示例性的六葉輪離心壓縮機10的軸向負載測試的結果，該離心壓縮機10具有在17000 rpm下旋轉的直徑為231 mm的平衡鼓28。該測試壓縮機配有作為軸承20的AMB，該AMB標稱上用於在+/-9000 N之間的軸向負載。表I
%流動速率j馬達軸向負載[N] j級軸向負載[N] j鼓軸向負載[N] j殘餘負載[N]
141~ 11055~4644—49557-14032 —
140~ 11055~6773—51973-13745 —
130~ 11055~03554 —82378-10121 —
120~ 11055~22331 — 104646-6630—
110~ 11055~37399 — 123401-2943—
100~ 11055~49200 — 138755609—
90~ 11055^157029 — 1502144241~
80~ 11055~61512 — 1579717514—
73|ll0551-162875|l61356丨9536從表I可以看出，對於設計標稱流動速率的73%、130%、140%和141%的流動速率來說，殘餘軸向負載，即置於離心壓縮機的AMB 20上的軸向負載，超出使用圖2所示配置(SP，具有不受控制的平衡管路32)的軸承的+/-9000 N額定值。根據本發明的示例性實施例，控制閥40置於平衡管路32上以使得能夠自動控制施加到如圖3所示的平衡鼓28的外側上的壓力Pe。其中，如圖I和圖2所使用的相同的附圖標記表示離心壓縮機10的相同或類似的部件。控制閥40根據例如由傳感器或探針42測量的軸承20的位移或軸承20上的軸向負載來調節平衡室34內的壓力以改變由平衡鼓28所產生的反作用力。控制閥40因而控制壓力Pe的值和相應地由平衡鼓28提供的補償軸向負載的量。更具體而言，通過關閉控制閥40，壓力Pe增加，從而減小由平衡鼓28提供的補償軸向負載的量。備選地，通過打開控制閥40，壓力Pe降低，從而增加由平衡鼓28提供的軸向負載的量。當控制閥40完全打開時，通過平衡鼓28產生最大量的補償軸向負載。由於由平衡鼓28提供的負載量根據示例性實施例為可控變量，因此可期望將平衡鼓28設計成使得其最大補償軸向負載大於由常規靜態平衡鼓提供的補償軸向負載(即，通過為系統提供更大的平衡鼓28)，因為在這些示例性實施例中有可能如期望地通過關閉控制閥40而減小所提供的補償量。如上所述，基於來自探針或傳感器42的關於軸承20在給定時間內經歷的軸向負載的量的控制信號來控制控制閥40。可通過探針或傳感器42進行定期測量並將測量結果報告返回至連接到控制閥40的控制邏輯44，以根據需要執行任何期望的控制算法來打開和關閉閥40，從而針對導致軸承20的更多(或更少)殘餘負載的操作變化做出調整。關於表2，下文討論在感測到的軸向負載與用於使用閥40控制氣體壓力的控制邏輯44的操作之間的示例性關係。控制邏輯44可作為ASIC、FPGA、計算機或其它類型的處理器被植入，並且可純粹用硬體、純粹用軟體或用它們的某個組合實施。傳感器或探針42可以是多種不同 類型中的任一種。例如，當軸承20為AMB時，諸如線性電勢位移換能器的感應傳感器或探針可用來測量由軸向負載引起的軸承20的位移。備選地，如果軸承20是油潤滑型軸承，則渦流傳感器或探針可以是傳感器或探針42的更合適的實施方式。可使用其它類型的傳感器作為替代物，例如在軸承內的油膜處測量壓力的傳感器或壓電體。根據一個示例性實施例，控制邏輯44可包括比例積分微分(PID)控制器，該控制器在閉環中根據在機器上測量的推力自動地改變平衡鼓室34中的壓力。例如，對AMB來說，AMB的線圈上的電流表示由系統控制的推力。特別地，當AMB的推力軸承線圈中的電流超出給定值(閾值)時，控制邏輯44可經由簡單的PID控制器作用於閥40。根據示例性實施例，控制系統可設計為具有偏差(滯後值)以避免任何推力閥振蕩。執行測試以評估根據圖3所示的示例性實施例的布置並確定其更好地控制在軸承20上的殘餘負載的能力。該測試使用以上所評估的相同類型的離心壓縮機10以產生表I中的結果，即在17000 rpm下運行的六葉輪離心壓縮機，不同的是，平衡鼓28尺寸增加至具有247 _的直徑，以在該動態平衡配置中提供稍微更大的最大補償軸向負載能力。測試結果在下表2中示出。表權利要求
1.一種離心壓縮機(10)，包括 轉子組件(18)，其包括至少一個葉輪(16)； 軸承(20)，其連接到所述轉子組件(18)且用於可旋轉地支承所述轉子組件(18)； 定子(12)； 平衡鼓(28)，其設置在所述至少一個葉輪(16)與所述軸承(20)之間； 平衡室(34)，其至少部分地由所述平衡鼓(28)的外側限定，並且具有連接到所述平衡室(34)的平衡管路(32)； 傳感器(42)，所述傳感器(42)用於感測與所述軸承(20)上的軸向負載相關聯的參數；和 控制閥(40)，所述控制閥(40)用於基於所述感測到的參數而改變所述平衡室(34)內的壓力。
2.根據權利要求I所述的離心壓縮機，其特徵在於，還包括 控制邏輯，其構造成接收所述傳感器的輸出並構造成根據預定的功能控制所述控制閥。
3.根據權利要求2所述的離心壓縮機，其特徵在於，當在所述軸承上的所述軸向負載超出預定值時，所述預定的功能起作用以增加所述平衡室內的壓力。
4.根據前述權利要求中的任一項所述的離心壓縮機，其特徵在於，所述軸承為主動磁軸承。
5.根據前述權利要求中的任一項所述的離心壓縮機，其特徵在於，所述軸承為油潤滑軸承。
6.根據前述權利要求中的任一項所述的離心壓縮機，其特徵在於，所述感測到的參數為所述軸承的位移。
7.根據前述權利要求中的任一項所述的離心壓縮機，其特徵在於，所述感測到的參數為在所述軸承上的軸向負載。
8.根據前述權利要求中的任一項所述的離心壓縮機，其特徵在於，所述傳感器為感應傳感器。
9.根據前述權利要求中的任一項所述的離心壓縮機，其特徵在於，所述傳感器為壓電傳感器。
10.根據前述權利要求中的任一項所述的離心壓縮機，其特徵在於，所述傳感器為渦流傳感器。
11.一種用於動態地平衡作用在離心壓縮機(10)中的軸承(20)上的軸向負載的方法，所述方法包括 檢測與所述軸向負載相關聯的參數；以及 基於所述檢測到的參數，控制在所述離心壓縮機(10)中鄰近平衡鼓(28)的平衡室(34)內的壓力，以動態地平衡作用在所述軸承(20)上的所述軸向負載。
12.根據權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述控制步驟還包括 打開或關閉控制所述平衡室內的所述壓力的連接到平衡管路的閥。
13.根據權利要求11或12所述的方法，其特徵在於，當在所述軸承上的所述軸向負載超出預定值時，所述控制步驟起作用以增加所述平衡室內的壓力。
14.根據權利要求11至13中的任一項所述的方法，其特徵在於，所述軸承為主動磁軸承。
15.根據權利要求11至14中的任一項所述的方法，其特徵在於，所述軸承為油潤滑軸承。
全文摘要
描述了用於動態地平衡離心壓縮機(10)中的軸向負載以減少在其中使用的軸承(20)上的殘餘軸向負載的系統和方法。傳感器或探針(42)檢測與作用在軸承(20)上的軸向負載相關聯的參數。基於所檢測到的參數，控制平衡室(34)中的壓力以調整由平衡鼓(28)產生的補償軸向力。
文檔編號F04D29/051GK102762871SQ201080064545
公開日2012年10月31日 申請日期2010年12月16日 優先權日2009年12月22日
發明者C.卡納裡尼, G.馬裡奧蒂 申請人:諾沃皮尼奧內有限公司